Напряжение никель кадмиевого аккумулятора

Все о никель-кадмиевых аккумуляторах: характеристики, эксплуатация, плюсы и минусы

Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) на данный момент все ещё достаточно широко используются в народном хозяйстве. По своей конструкции они относятся к группе щелочных аккумуляторов. Эти батареи востребованы, несмотря на то, что их производство и применение ограничивается из соображений охраны окружающей среды (кадмий является ядовитым веществом). Но полностью отказаться от них не получается, поскольку эти аккумуляторные батареи используют в устройствах, где другие батареи работать не могут. В частности это эксплуатация с разрядными и зарядными токами большой величины. Это достаточно простые в обслуживании устройства с длительным сроком эксплуатации. Поэтому они заслуживают рассмотрения в отдельной статье.

Возникновение и развитие никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Первый никель-кадмиевый аккумулятор создал Вальдмар Юнгнер ещё в 1899 году. Но тогда производство этих щелочных аккумуляторов обходилось значительно дороже, чем других видов батарей. Так, что об этом изобретении на некоторое время забыли. В 1932 году был разработан метод осаждения активного материала на пористый никелевый электрод. Это приблизило выпуск промышленных аккумуляторов Ni-Cd.

В 1947 году был проведен ряд работ, в ходе которых осуществили рекомбинацию газов, выделяющихся при заряде, без их отведения. В результате на свет появились герметичные Ni-Cd аккумуляторы, которые применяются до сих пор. Среди производителей никель-кадмиевых аккумуляторов можно назвать такие крупные компании, как GP Batteries, Самсунг, Варта, GAZ, Konnoc, Advanced Battery Factory, Панасоник, Metabo, Ansmann и другие.

Несмотря на широкое распространение в народном хозяйстве за последние десятилетия, никель-кадмиевые аккумуляторы постепенно сужают область применения. Их постепенно теснят никель-металлогидридные, а также литиевые батареи.

В частности Ni-Cd батареи уступают им место портативной технике. Причиной тому является опасность кадмия для человека и окружающей среду. Для утилизации таких аккумуляторов требуется специальное оборудование для улавливания кадмия. Утилизация аккумуляторов для автомобиля проводится проще, быстрее и лучше отработана. Но до сих пор существует достаточно много направлений, где никель-кадмиевые батареи незаменимы.
Вернуться к содержанию

Применение никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Никель-кадмиевые аккумуляторы с небольшими размерами применяются в технических устройствах, требующих для своей работы большой ток. В таких условиях Ni-Cd аккумуляторы выдают стабильную мощность и не перегреваются в отличие от других типов аккумуляторных батарей. Никель-кадмиевые аккумуляторы широко используются в троллейбусах, трамваях, в роли тяговых АКБ на электрических карах, встречаются промышленные аккумуляторы Ni-Cd. Кроме того, широкое применение они нашли на морском и речном транспорте.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Ni-Cd аккумуляторы можно встретить в вертолетах и самолетах в роли бортовых батарей, в портативных инструментах (шуруповёрт, перфоратор и т. п.). Однако в инструментах все чаще встречаются литиевыми батареями. Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи пока не могут заменить в тех портативных устройствах, которые имеют потребление большой мощности. Хотя в некоторых устройствах их успешно заменяют Ni─MH аккумуляторы, которые не имеют в своём составе вредного кадмия.

Широкое применение нашли Ni-Cd батареи в дисковом исполнении. Этот вариант широко использовался в качестве батареи для питания энергонезависимой памяти в первых персональных компьютерах. Они были распаяны на материнской плате. Впоследствии их заменили литиевыми аккумуляторами. Дисковые батарейки также широко применялись в фотоаппаратах, вспышках, калькуляторах, фонариках, радиоприёмниках, слуховых аппаратах и т. п.

Ni-Cd аккумуляторы могут долго храниться, просты в обслуживании, малочувствительны к низким температурам, имеют низкое внутреннее сопротивление и малый удельный вес. Все это пока перевешивает отрицательный момент, связанный с наличием в них ядовитого кадмия. Никель-кадмиевые аккумуляторы по-прежнему доминируют при использовании в авиации, военной технике, устройствах мобильной радиосвязи. Дополнительно можете прочитать материал о том, как восстанавливаются Ni─Cd аккумуляторы для шуруповерта.
Вернуться к содержанию

Устройство никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Конструкция Ni-Cd аккумуляторов

Конструктивно никель-кадмиевый аккумулятор представляет собой положительный и отрицательный электрод, разделенные сепаратором. Они погружены в щелочной электролит и все это закрыто в герметичном металлическом корпусе. Положительный электрод имеет в своем составе NiOOH (оксид-гидроксид никеля). В составе отрицательного присутствует кадмий (Cd) в компаунде. В роли электролита выступает раствор KOH (гидроксид калия). Это сильная щелочь, не имеющая запаха. Преимущества KOH в том, что вещество не взрывоопасное и не пожароопасное. Массовая доля KOH в электролите по ГОСТ Р 50711-94 должна составлять не меньше 85 процентов в твердом и не меньше 45 процентов в жидком виде.

Чтобы увеличить площадь поверхности электродов, их выпускают из фольги малой толщины. Сепаратор между электродами делается из нетканого материала, который не взаимодействует со щелочью. Сам электролит в процессе реакции не расходуется.

Один никель-кадмиевый элемент выдает напряжение около 1 вольта. Поэтому они объединяются в батареи с плотностью энергии примерно 60 Вт-ч на один килограмм.

На изображении ниже можно посмотреть основные элементы щелочного никель кадмиевого аккумулятора серии KL.

Конструкция никель-кадмиевого аккумулятора

Конструкция никель-кадмиевого аккумулятора

Борн или токовывод предназначен для съем тока с аккумулятора и выступает в роли клеммы для соединения батарей. Через пробку обеспечивается заливка электролита, а также выход газа, образующегося в процессе зарядки. Соединение электродов вместе с контактными планками обеспечивает съём и подачу с электродов на борн. Контактные планки имеют сварное соединение с электродами.

Электрод представляет собой ламели, расположенные горизонтально. В них находится активное вещество в перфорированной ленте из стали. Ребро дает жесткость электрода и обеспечивает перетекание тока на контактную планку. Электроды разной полярности разделяются рамочным сепаратором, который не препятствует свободной циркуляции электролита.
Вернуться к содержанию

Реакции, проходящие на электродах Ni-Cd аккумулятора

Процессы на положительном электроде

Основные электрохимические реакции, протекающие на положительном электроде никель-кадмиевой аккумуляторной батареи, можно описать следующими формулами:

В процессе заряда

В процессе разряда

Оксид-гидроксид никеля (NiOOH) на положительном электроде может быть в двух вариантах:

Эти формы различаются по своей плотности и гидратации. Если батарея разряжена, то на положительном электроде есть обе эти формы гидроксида никеля. Когда Ni-Cd аккумулятор заряжается, то форма β-Ni(OH)2 превращается в β-NiOOH. При этом кристаллическая решетка вещества несколько изменяется. На заключительной стадии зарядки происходит образование γ-NiOOH. Количество фаз β и γ гидроксида никеля будет зависеть от конкретных условий заряда.

Фаза γ интенсивно образуется при большой скорости зарядки или при перезаряде. В результате образования γ-NiOOH происходит коренная перестройка структуры оксидов. Для сравнения, плотность фазы β составляет 4,15, а фазы γ─3,85 гр./см 3 . По этой причине при перезаряде Ni-Cd аккумулятора происходит изменение объем активной массы положительного электрода. Электрохимические свойства β и γ также отличаются. Для формы γ-NiOOH заряд проходит менее эффективно и коэффициент использования по току в этом случае меньше формы β. Форма γ также имеет меньший разрядный потенциал и саморазряд в два раза меньший, чем для β.

Заряд никель-кадмиевого аккумулятора рекомендуется вести с небольшой перезарядкой, чтобы образовывался β-NiOOH. Эта форма дает незначительные изменения объема активной массы электрода при циклических заряде-разряде.

Процессы на отрицательном электроде

На отрицательном электроде никель-кадмиевой батареи протекают следующие реакции:

Cd(OH)2 + 2e − ⇒ Cd + 2OH −

Cd + 2OH − ⇒ Cd(OH)2 + 2e −

Ёмкость кадмиевого электрода в никель-кадмиевых батареях превышает ёмкость положительного электрода примерно на 20─70 процентов. По этой причине считается, что потенциал отрицательного электрода при заряде-разряде, остается неизменным.

Общие процессы в Ni-Cd аккумуляторе

В никель-кадмиевой батарее протекают следующие реакции:

В процессе перезаряда на положительном электроде протекает следующая реакция:

2OH − ⇒ 1/2O2 + H2O + 2e −

То есть, выделяется кислород, который через сепаратор доходит до отрицательного электрода и там с его участием идет следующая реакция:

В результате происходит замкнутая реакция по кислороду. Это стабилизирует давление в никель-кадмиевом аккумуляторе при перезаряде. Величина давления в батарее в значительной степени зависит от скорости транспортировки кислорода между положительным и отрицательным электродами. В процессе перезаряда на отрицательном кадмиевом электроде может выделяться водород:

Затем он окисляется на положительном электроде. Реакция выглядит так:

Образование водорода в герметичном аккумуляторе – это опасный процесс. Если скорость его поглощения будет низкой, то это может привести к его накоплению. А это уже взрывоопасно. Поэтому в герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах емкость кадмиевого электрода делают значительно больше, чем положительного.

Ёмкость такой герметичной батареи определяется именно значением ёмкости оксидно-никелевого электрода.
Вернуться к содержанию

Характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Номинальное напряжение никель-кадмиевых герметичных аккумуляторов составляет 1,2 вольта. Заряд током 1/10 от ёмкости происходит за 16 часов. Замер ёмкости Ni-Cd аккумулятора производится при разряде током 2/10 от номинальной ёмкости до напряжения один вольт.

На изображении ниже можно видеть разрядные характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов при различных режимах разряда.

Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора в зависимости от величины тока разряда

Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора в зависимости от величины тока разряда

На графиках ниже можно посмотреть зависимость разрядной ёмкости от нагрузочного тока и температуры.

Зависимость разрядной ёмкости никель-кадмиевого аккумулятора от температуры

Зависимость разрядной ёмкости никель-кадмиевого аккумулятора от температуры

Зависимость разрядной ёмкости никель-кадмиевого аккумулятора от нагрузочного тока

Зависимость разрядной ёмкости никель-кадмиевого аккумулятора от нагрузочного тока

Саморазряд никель-кадмиевых аккумуляторов зависит в основном от термодинамической неустойчивости электрода из оксида-гидроксида никеля. Влияние тока утечки между электродами на саморазряд небольшое. Но постепенно увеличивается со временем эксплуатации батареи. Тепловыделение в Ni-Cd аккумуляторах во многом зависит от степени заряженности. После того, как аккумулятор набрал 70 процентов емкости, активизируется процесс выделения кислорода. В результате из-за ионизации кислорода на отрицательных электродах происходит разогрев аккумулятора. По окончании зарядки температура в Ni-Cd аккумуляторе поднимается на 10─15 градусов Цельсия. Если заряд осуществляется в ускоренном режиме, то увеличение температуры может составлять 40─45 градусов Цельсия.

После отключения от заряда потенциал положительного (оксидно-никелевого) электрода уменьшается и происходит постепенное выравнивание заряда глубинного и поверхностного слоя. Через некоторое время интенсивность саморазряда снижается. У различных серий Ni-Cd аккумуляторов саморазряд и стабилизации остаточной емкости могут значительно различаться. Саморазряд, помимо снижения ёмкости, ещё приводит к понижению напряжения на 0,03─0,05 вольта. Это явление объясняется постепенным выравниванием заряда в глубине и на поверхности электрода. Кроме того, влияние оказывает частичная пассивация активной массы.

Хранение никель-кадмиевых аккумуляторов (равно, как и свинцово-кислотных) при низкой температуре снижает саморазряд. При 20 градусах Цельсия саморазряд в два раза больше, чем при 0.

На следующем изображении показан график изменения потери емкости для никель-кадмиевых аккумуляторов при различных температурах.

Саморазряд герметичного никель-кадмиевого аккумулятора при различных температурах хранения

Саморазряд герметичного никель-кадмиевого аккумулятора при различных температурах хранения

Чтобы компенсировать саморазряд при хранении аккумулятора, можно поставить его на подзарядку малым током. Обычно величина тока подзаряда составляет 0,03-0,05 от ёмкости. Но конкретное значение оговаривается производителем аккумулятора. Способность выдерживать длительный перезаряд у разная у никель-кадмиевых аккумуляторов различной конструкции. Дисковые щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы, которые имеют ламельные электроды большой толщины, к перезаряду приспособлены меньше всего. Но есть и такие конструкции, которые способны без последствий выдержать перезаряд несколько месяцев.

Что касается энергетических характеристик Ni-Cd аккумуляторов, то они также различаются в зависимости от разновидностей батареи.

Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы с 2 электродами имеют удельные энергетические характеристики 15─18 Вт-ч на килограмм и 35─45 Вт-ч на литр. Та же разновидность, но с 4 электродами имеет удельные энергетические характеристики в два раза больше. Для цилиндрических Ni-Cd аккумуляторов эти величины составляют 45 Вт-ч на килограмм и 130 Вт-ч на литр.
Вернуться к содержанию

Что влияет на разряд Ni-Cd аккумуляторов?

Разрядные характеристики конкретных моделей зависят от следующих характеристик:

  • толщина, структура, внутреннее сопротивление электродов;
  • плотность сборки групп электродов;
  • характеристики сепаратора (толщина и структура);
  • объем электролита;
  • специфические особенности конструкции батареи.

Дисковые Ni-Cd аккумуляторы с прессованными электродами большой толщины используются в условиях продолжительного разряда. В этом случае происходит постепенное снижение ёмкости и напряжения до 1,1 вольта. При разряде до 1 вольта ёмкости остаётся около 5─10 процентов от номинала. Такие аккумуляторные батареи демонстрируют значительное снижение разрядного напряжения и теряемой емкости Ni-Cd аккумуляторов при возрастании тока разряда до величины 0,2*C. Объясняется это тем, что активная масса не имеет возможности равномерно разряжаться на разной глубине электродов.

Для аккумуляторных батарей, работающих в режиме разряда средней интенсивности, делаются электроды меньшей толщины, и увеличивается их число до 4. В результате ток разряда возрастает до 0,6 от ёмкости.

Есть еще, так называемые, короткоразрядные аккумуляторы. В них установлены металлокерамические электроды с малым внутренним сопротивлением. Эти модели имеют самые высокие энергетические показатели среди других разновидностей никель-кадмиевых аккумуляторов. У них напряжение при разряде держится выше 1,2 вольта до того момента, пока они не исчерпают 90 процентов ёмкости батареи. Эти аккумуляторы могут использоваться при разрядке большими значениями тока (3─5С).

Стоит отметить ещё цилиндрические батареи с рулонными электродами. Эти современные аккумуляторы могут разряжаться длительное время током 7─10С. На графиках разряда, представленных выше можно видеть, что температура ОС оказывает существенное влияние на характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов. Наибольшее значение ёмкости аккумулятор имеет при 20 градусах Цельсия. При повышении температуры она практически не меняется. Но при понижении до 0 градусов емкость падает тем быстрее, чем больше величина тока разряда. Это понижение ёмкости связано с уменьшением разрядного напряжения, которое вызвано ростом поляризационного и омического сопротивления. Сопротивление возрастает из-за малого объема электролита.

Так, что состав щелочи (электролита) и её концентрация существенно отражаются на характеристиках аккумулятора. От этого зависит температура образования солей, кристаллогидратов, льда и прочих элементов.

Если электролит замерз, то разряд вообще исключен. Нижнее значение рабочей температуры Ni-Cd аккумуляторов в большинстве случаев составляет минус 20 градусов Цельсия. Для некоторых видов батарей состав электролита корректируется, и нижняя граница температурного диапазона расширяется до минус 40 градусов Цельсия.
Вернуться к содержанию

Что влияет на заряд Ni-Cd аккумуляторов?

При зарядке герметичного никель-кадмиевого аккумулятора важным является ограничение перезаряда. При перезарядке увеличивается давления внутри батареи из-за выделения кислорода. Так, что эффективность использования тока падает по мере приближения к 100-ной зарядке.

На изображении ниже можно посмотреть графики характеризующие зависимость ёмкости при разряде цилиндрического аккумулятора.

Эффективность заряда никель-кадмиевого аккумулятора при различной скорости заряда

Эффективность заряда никель-кадмиевого аккумулятора при различной скорости заряда

Зарядку Ni-Cd аккумуляторов допускается проводить в температурном диапазоне 0─40 градусов Цельсия. Рекомендуемый интервал 10─30 градусов. Поглощение кислорода на кадмиевом электроде замедляется при снижении температуры, что приводит к росту давления. Если температура выше рекомендуемой, то растёт потенциал и на положительном оксидно-никелевом электрода кислород начинает выделяться очень рано. При равной температуре кислород выделяется тем активнее, чем больше ток заряда. При это скорость поглощения кислорода почти не изменяется. У щелочных аккумуляторов эта величина зависит от конструкции батареи, а точнее, от транспортировки кислорода от положительного к кадмиевому отрицательному электроду. На это влияет плотность компоновки, толщины, структура электродов, а также материала сепаратора и объема электролита.

Чем меньше толщина электродов и чем выше плотность их компоновки, тем эффективнее будет проходить процесс заряда. Цилиндрические аккумуляторы с рулонными электродами являются наиболее эффективными в этом плане. Для них эффективность заряда при изменении тока от 0,1 до 1С почти не меняется. Стандартным производители называют режим зарядки, в результате которого батарея с напряжением 1 вольт полностью заряжается за 16 часов током 0,1 от ёмкости. Некоторые модели при заряде в таком режиме требуют 14 часов. Конкретные показатели уже зависят от конструктивных особенностей и объема активной массы.

Все вышесказанное справедливо для гальваностатического заряда. Это заряд при постоянном значении силы тока. Но заряд может также вестись с плавным или ступенчатым снижением силы тока на заключительной стадии зарядки. Тогда на начальном этапе ток может устанавливаться гораздо выше стандартного значения 0,1 от ёмкости. Часто бывает реальная необходимость в увеличении скорости зарядки. Проблему решают с использованием аккумуляторов, характеристики которых позволяют эффективно принимать заряд током высокой плотности. Ток поддерживается постоянным на протяжении всего процесса зарядки. Также совершенствуются системы контроля, которые не допускают перезаряд батареи.

Цилиндрические никель-кадмиевые аккумуляторы обычно заряжаются в следующих режимах:

  • 6─7 часов током 0,2 от ёмкости;
  • 3─4 часа током 0,3 от ёмкости.

При ускорении не рекомендуется допускать перезаряд больше 120─140 процентов. Тогда будет обеспечена ёмкость не меньше номинала. Ni-Cd аккумуляторы для работы в ускоренных режимах заряжаются ещё быстрее (примерно около одного часа). Однако в последнем случае нужен контроль напряжения и температуры. Иначе, из-за быстрого роста давления, может начаться процесс деградации аккумуляторов.

После того, как заряд закончен в герметичном аккумуляторе еще продолжается выделение кислорода из-за окисления гидроксильных ионов на положительном электроде. За счет процесса саморазряда уменьшается потенциал, и процесс выделения кислорода постепенно уменьшается и становится равным поглощению его на кадмиевом электроде. Тогда давление уменьшается. О том, как заряжать Ni-Cd аккумуляторы детально разобрано по указанной ссылке.
Вернуться к содержанию

Эксплуатация никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Постепенно при эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов в них происходят изменениями, оказывающие влияние на работоспособность. Эти изменения вызывают постепенное падение напряжения аккумулятора и снижение его разрядной емкости.

Какие факторы приводят к отказу в работе Ni-Cd аккумуляторов:

  • Уменьшение рабочей поверхности электродов;
  • потеря активной массы электродов;
  • изменение состава и объема щелочного электролита, а также его перераспределение в батарее;
  • возникновение утечек по проводникам, вызванные ростом дендритов кадмия;
  • процессы, которые связаны с необратимым расходом воды и кислорода;
  • распад органических веществ.

Изменения в положительном электроде (оксидно-никелевый)

После определенного, достаточно большого, количества циклов происходит изменение плотности активной массы положительного электрода. Возникает, так называемое, набухание оксидно-никелевого электрода. Кроме того, уменьшается его прочность. В результате снижается качество контакта активной массы с основой электрода. Как следствие, падает электрическая проводимость электрода и уменьшается ёмкость аккумулятора.

Уменьшение прочности положительного электрода вызывается в основном из-за регулярном перезаряда. Как говорилось выше, это сопровождается выделением кислорода в герметичном корпусе аккумулятора. В батареях с электродами из металлокерамики эти изменения наблюдаются в значительно меньшей степени. При эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов наблюдается увеличение кристаллов активной массы. Это приводит к уменьшению рабочей поверхности электродов и падению ёмкости.
Вернуться к содержанию

Изменения в отрицательном электроде (кадмиевый)

На кадмиевом электроде основным процессом, вызывающим его деградацию, является миграция активной массы. У отработавшего длительное время Ni-Cd аккумулятора активную массу отрицательного электрода можно найти как в сепараторе, так и на положительном электроде. В результате наблюдается потеря активной массы, а также блокировка поверхностного слоя отрицательного электрода.

Это ухудшает доступ щелочного электролита вглубь электрода. В результате растет внутреннее сопротивление аккумулятора. Миграция активной массы и нарастание дендритов сквозь сепаратор до положительного электрода вызывает короткие замыкания и нарастание саморазряда. Как и в оксидно-никелевом электроде, так и в кадмиевом укрупняются кристаллы, и набухает активная масса.

Срок службы никель-кадмиевого аккумулятора сокращают и другие необратимые процессы. В частности, из-за высокого окислительного потенциала положительного электрода, на нём окисляются органические примеси. Это специальные стабилизирующие и активирующие добавки в этом типе аккумуляторов. Металлокерамическая основа электрода при своем окислении потребляет воду и выделяет гидроксид никеля (Ni(OH)2).

Увеличение давления в никель-кадмиевом аккумуляторе также оказывает пагубное влияние на состояние аккумулятора. Когда снижается ёмкость кадмиевого электрода, то меняется баланс ёмкостей положительных и отрицательных пластин. В результате создаются условия для выделения водорода. При малой скорости рекомбинации водород начинает скапливаться и возникает угроза резкого увеличения давления. Такая картина часто наблюдается при быстром заряде. У призматических и дисковых моделей Ni-Cd аккумуляторов при повышенном давлении корпус может деформироваться. Герметичность может сохраниться, но плотности сборки нарушается, растет внутреннее сопротивление батареи и снижается разрядное напряжение.

Стоит помнить, что водород также скапливается при постоянной разрядке батареи до 0 вольт. Кроме того, внутри аккумулятора есть азот, попадающий туда при герметизации. Так, что внутри еще происходит восстановление нитратов, находящихся в электролите. Это также вызывает увеличение давления. У щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов имеется аварийный клапан, чтобы сбросить давление. Но делается это однократно, поскольку при этом происходит необратимые изменения в химическом элементе.

Свой вклад в падение работоспособности Ni-Cd аккумулятора вносит и щелочной электролит. Точнее изменение его состава и объема. В результате изменения структуры и набухания электродов происходит отбор электролита. В результате растет внутреннее сопротивление батареи. Состав электролита постепенно меняется. По сравнению с первоначальным состоянием может значительно увеличится объем карбонатов. Электропроводность электролита падает, и параметры батареи при разряде ухудшаются. Особенно это становится заметно при низких температурах.
Вернуться к содержанию

Как влияет эксплуатация и температура на процесс деградации

Одним из наиболее важных факторов, оказывающих воздействие на процесс деградации никель-кадмиевого аккумулятора является температура. При повышении температуры на каждые десять градусов химические процессы ускоряются в два-четыре раза.

Влияние температуры становится еще более заметным при увеличении тока заряда, поскольку это приводит к нагреву батареи при перезаряде. Уменьшение ёмкости кадмиевого электролита при низкой температуре будет превышать снижение ёмкости положительного электрода. Это накладывает некоторые ограничения на использование аккумуляторов в северных регионах. В такой ситуации при заряде растёт скорость выделения водорода.

На процесс деградации никель-кадмиевых аккумуляторов большое влияние оказывает характер эксплуатации. Что сюда входит:

  • глубина и режим разряда;
  • режим зарядки;
  • временной интервал м/у зарядом и разрядом (если циклирование непрерывное);
  • периоды хранения и эксплуатации.

На графике ниже можно видеть длительность работы аккумулятора в циклах в зависимости от глубины разряда.

Наработка герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при разной глубине заряда

Наработка герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при разной глубине заряда

Нужно отметить, что Ni-Cd аккумуляторы имеют достаточно высокую стойкость к случайному перезаряду. Если переразряд происходит нечасто, то водород легко рекомбинируется. При устранении поляризации напряжение батареи восстанавливается.

При постоянной подзарядке никель-кадмиевых аккумуляторов нужно обеспечить ток, равный 0,03─0,05 от номинальной ёмкости. Если батарея постоянно эксплуатируется в таком режиме, то помимо величины тока влияет и температура ОС. Когда температура повышается, то увеличивается образование кислорода. Это ускоряет деградацию аккумулятора. С целью функционирования с непрерывной подзарядкой (температура 50─55 градусов Цельсия) были созданы специальные модели цилиндрических аккумуляторов. Они имеют электроды рулонного типа со сроком эксплуатации, как минимум, 4 года. В этих батареях скорректированный состав электролита и проделана подготовка для ускорения поглощения газов.

Если разряжать Ni-Cd аккумулятор после длительного подзаряда, то его ёмкость будет немного ниже, чем у аккумуляторов, заряженных с нуля. Но это явление временное и ёмкость придёт в норму после нескольких циклов заряд-разряд.

Маркировка щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Маркировка Ni-Cd аккумуляторов может выглядеть следующим образом:

40 НК, K, L, H; 250 P(П), K

Символы обозначают следующее:

  • 40 — число аккумуляторов в батарее или блоке батареи;
  • НК, К ─ никель-кадмиевый тип аккумулятора (обозначение НК соответствует ТУ 16-90 ИЛВЕ.563330.001ТУ, обозначение К соответствует МЭК 623, ГОСТ Р МЭК 60623-2002);
  • L, H ─ тип Ni-Cd аккумулятора в зависимости от режима разряда (L — длительный режим разряда, Н — короткий режим разряда);
  • 250 – значение номинальной емкости (ампер-часы);
  • Р(П) – пластиковое исполнение бака аккумуляторной батареи;
  • К — каркасное исполнение блока аккумуляторов.

Плюсы и минусы никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

В заключение кратко напомним преимущества и недостатки никель кадмиевых аккумуляторов.

Плюсы Ni-Cd аккумуляторов

  • Большое число циклов заряд-разряд (больше 1000);
  • Длительной срок хранения вне зависимости от степени заряженности;
  • Быстрый и простой способ заряда;
  • Выдерживают серьёзную нагрузку;
  • Есть возможность работы при низких температурах;
  • Хорошо подходят для жестких условий эксплуатации;
  • Сохраняют ёмкость при низких температурах;
  • Стоят недорого.

Минусы Ni-Cd аккумуляторов

  • Эффект памяти и необходимость работ по его устранению;
  • Достаточно высокая степень саморазряда;
  • Низкая энергетическая плотность по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей;
  • Токсичность материалов. Особенно это касается кадмия. В ряде стран запрещено производство и использование таких батарей. Требуется специальное оборудование и технология для их утилизации.

Никель-Кадмиевые аккумуляторы

ni-cd

Во второй половине двадцатого века одними из лучших перезаряжаемых химических источников тока были аккумуляторные батареи, изготовленные по никель-кадмиевой технологии. Они до сих пор широко применяются в различных сферах благодаря своей надежности и непритязательности.

  • Что такое никель кадмиевый аккумулятор
  • Принцип работы и устройство Ni-Cd аккумулятора
  • Технические характеристики и какие бывают Ni-Cd АКБ
  • Где используются никель кадмиевые АКБ
  • Плюсы и минусы Ni-Cd аккумулятора
  • Отличие Ni-Cd от Li-Ion или Ni-Mh источников
  • Правила эксплуатации
  • Как восстановить Ni Cd аккумулятор
  • Хранение и утилизация

Что такое никель кадмиевый аккумулятор

Никель-кадмиевые батареи являются гальваническими перезаряжаемыми источниками тока, которые были изобретены в 1899 году в Швеции Вальдмаром Юнгнером. До 1932 года их практическое использование было очень ограниченным из-за дороговизны используемых металлов в сравнении со свинцово-кислотными АКБ.

АКБ батарея

Усовершенствование технологии их производства привело к значительному улучшению их эксплуатационных характеристик и позволило в 1947 году создать герметичный необслуживаемый АКБ с отличными параметрами.

Принцип работы и устройство Ni-Cd аккумулятора

Электрическую энергию эти АКБ производят благодаря обратимому процессу взаимодействия кадмия (Cd) с оксидом-гидроксидом никеля (NiOOH) и водой, в результате которого образуется гидроксид никеля Ni(OH)2 и гидроксид кадмия Cd(OH)2, обуславливающий появление электродвижущей силы.

Ni-Cd АКБ выпускаются в герметичных корпусах, в которых размещены электроды, разделенные нейтральным сепаратором, содержащие никель и кадмий, находящиеся в растворе желеобразного щелочного электролита (как правило, гидроксид калия, KOH).

Положительный электрод представляет собой стальную сетку или фольгу, покрытую пастой оксид-гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом

Отрицательный электрод — это стальная сетка (фольга) с впрессованным пористым кадмием.

Один никель кадмиевый элемент способен выдавать напряжение около 1,2 вольта, поэтому для увеличения напряжения и мощности батарей в их конструкции применяется множество параллельно соединенных электродов, разделенных сепараторами.

Технические характеристики и какие бывают Ni-Cd АКБ

Ni-Cd батареи имеют следующие технические характеристики:

  • напряжение разряда одного элемента – около 0,9-1 вольт;
  • номинальное напряжение элемента – 1,2 v, для получения напряжений 12v и 24v применяют последовательное соединение нескольких элементов;
  • напряжение полного заряда – 1,5-1,8 вольт;
  • рабочая температура: от -50 до +40 градусов;
  • количество циклов заряда-разряда: от 100 до 1000 (в самых современных батареях – до 2000), в зависимости от используемой технологии;
  • уровень саморазряда: от 8 до 30% в первый месяц после полного заряда;
  • удельная энергоемкость – до 65 Вт*час/килограмм;
  • срок эксплуатации – около 10 лет.

Ni-Cd АКБ выпускают в различных корпусах стандартных типоразмеров и в нестандартном исполнении, в том числе в дисковом, герметическом виде.

AA 1,2v

Где используются никель кадмиевые АКБ

Эти батареи применяются в устройствах, которые потребляют большой ток, а также испытывают высокие нагрузки при эксплуатации в следующих случаях:

  • на троллейбусах и трамваях;
  • на электрокарах;
  • на морском и речном транспорте;
  • в вертолетах и самолетах;
  • в электроинструментах (шуруповерты, дрели, электроотвертки и прочие);
  • электробритвы;
  • в военной технике;
  • переносных радиостанциях;
  • в игрушках на радиоуправлении;
  • в фонарях для дайвинга.

В настоящее время из-за ужесточения экологических требований большинство аккумуляторов популярных типоразмеров (AA, AAA и другие) выпускается по никель-металлогидридной и литий-ионной технологиям. Вместе с тем, в эксплуатации еще находится множество Ni Cd АКБ различных типоразмеров, выпущенных несколько лет назад.

Ni-Cd элементы имеют продолжительный срок эксплуатации, который порой превышает 10 лет и поэтому еще можно встретить этот вид батарей во множестве электронных устройств, кроме тех, которые перечислены выше.

Батареи

Плюсы и минусы Ni-Cd аккумулятора

Этот вид элементов питания имеет следующие положительные характеристики:

  • большой срок эксплуатации и число циклов заряда-разряда;
  • продолжительный срок службы и хранения;
  • возможность быстрой зарядки;
  • способность выдерживать большие нагрузки и низкие температуры;
  • сохранение работоспособности в самых неблагоприятных условиях эксплуатации;
  • невысокая стоимость;
  • возможность хранить эти батареи в разряженном состоянии до 5 лет;
  • средняя устойчивость к перезаряду.

В то же время, никель кадмиевые источники питания имеют ряд недостатков:

  • наличие эффекта памяти, проявляющийся в потере емкости при зарядке АКБ, не дожидаясь полного разряда;
  • необходимость профилактических работ (несколько циклов заряда-разряда) по набору полной емкости;
  • полное восстановление АКБ после долговременного хранения требует трех-четырех циклов полного заряда-разряда;
  • большой саморазряд (около 10% в первый месяц хранения), приводящий к практически полному разряду батареи за год хранения;
  • невысокая энергетическая плотность по сравнению с другими элементами питания;
  • высокая токсичность кадмия, из-за которой они запрещены в ряде стран, в том числе в ЕС, необходимость проводить утилизацию таких АКБ на специальном оборудовании;
  • больший вес по сравнению с современными батареями.

Ni-Cd и Ni-Mh

Отличие Ni-Cd от Li-Ion или Ni-Mh источников

Батареи с активными компонентами, включающими никель и кадмий, имеют ряд отличий от более современных литий-ионных и никель-металлогидридных источников электроэнергии:

  • Ni-Cd элементы, в отличие от Li-Ion и Ni-Mh вариантов, имеют эффект памяти, обладают меньшей удельной емкостью при одинаковых размерах;
  • NiCd источники более неприхотливы, сохраняют работоспособность при очень низких температурах, во много раз более устойчивы к перезаряду и сильному разряду;
  • Li-Ion и Ni-Mh аккумуляторы стоят дороже, бояться перезаряда и сильного разряда, но имеют меньший саморазряд;
  • срок эксплуатации и хранения Li-Ion аккумуляторов (2-3 года) в разы меньше, чем Ni Cd изделий (8-10 лет);
  • никель-кадмиевые источники быстро теряют емкость при использовании в буферном режиме (например, в UPS). Хотя их можно после этого полностью восстановить путем глубокого разряда и заряда, лучше не использовать Ni Cd изделия в устройствах, где осуществляется их постоянная подзарядка;
  • одинаковость режима заряда Ni-Cd и Ni-Mh батарей позволяет использовать одни и те же зарядные устройства, но при этом нужно учитывать тот факт, что у никель-кадмиевых АКБ более выражен эффект памяти.

Исходя из имеющихся отличий, нельзя сделать однозначный вывод о том, какие АКБ лучше, поскольку у всех элементов есть и сильные и слабые стороны.

Правила эксплуатации

В ходе эксплуатации в Ni Cd источниках питания происходит ряд изменений, которые приводят к постепенному ухудшению характеристик и, в конечном итоге, к утрате работоспособности:

  • уменьшается полезная площадь и масса электродов;
  • изменяется состав и объем электролита;
  • происходит распад сепаратора и органических примесей;
  • утрачивается вода и кислород;
  • появляются утечки тока, связанные с ростом дендритов кадмия на пластинах.

Для того, чтобы максимально уменьшить повреждения батареи, возникающие при ее эксплуатации и хранении, необходимо избегать неблагоприятных воздействий на АКБ, которые связаны со следующими факторами:

  • заряд не полностью заряженной батареи приводит к обратимой утрате ее емкости из-за уменьшения общей площади активного вещества в результате кристаллообразования;
  • регулярный сильный перезаряд, который приводит к перегреву, увеличенному газообразованию, утрате воды в электролите и разрушает электроды (особенно анод) и сепаратор;
  • недозаряд, приводящий к преждевременному истощению батареи;
  • долговременная эксплуатация при очень низких температурах приводит к изменению состава и объема электролита, увеличивается внутреннее сопротивление АКБ и ухудшаются ее эксплуатационные характеристики, в частности падает емкость.

При сильном увеличении давления внутри батареи в результате быстрого заряда большим током и сильной деградации кадмиевого катода в АКБ может выделяться избыточный водород, что приводит к резкому увеличению давления, которое может деформировать корпус, нарушает плотность сборки, увеличивает внутреннее сопротивление и уменьшает рабочее напряжение.

В АКБ, оборудованных аварийным клапаном сброса давления, опасность деформации можно предотвратить, но необратимых изменений химического состава батареи избежать невозможно.

Зарядку Ni Cd аккумуляторов нужно производить током 10% (при необходимости быстрого заряда в специальных АКБ – током до 100% за 1 час) величины их емкости (например, 100 мА при емкости 1000 mAh) в течение 14-16 часов. Самый лучший режим их разряда – током, равным 20% от емкости батареи.

Как восстановить Ni Cd аккумулятор

Никель кадмиевые источники питания в случае потери емкости можно практически полностью восстановить с помощью полного разряда (до 1 вольта на элемент) и последующего заряда в стандартном режиме. Такую тренировку аккумуляторов можно повторить несколько раз для наиболее полного восстановления их емкости.

В случае невозможности произвести восстановление АКБ путем разряда и заряда, можно попробовать их восстановить с помощью воздействия короткими токовыми импульсами (величиной в десятки раз больше емкости восстанавливаемого элемента) на протяжении нескольких секунд. Это воздействие устраняет внутреннее замыкание в элементах батареи, возникающее из-за нарастания дендритов путем их выжигания сильным током. Существуют специальные промышленные активаторы, которые осуществляют такое воздействие.

Полное восстановление первоначальной емкости таких батарей невозможно из-за необратимого изменения состава и свойств электролита, а также деградации пластин, но дает возможность продлить срок эксплуатации.

Методика восстановления в домашних условиях заключается в проведении следующих действий:

  • проводом сечением не менее 1,5 квадратных миллиметров соединяют минус восстанавливаемого элемента с катодом мощной батареи, например автомобильной или из UPS;
  • к аноду (плюсу) одной из батарей надежно прикрепляется второй провод;
  • на протяжении 3-4 секунд свободным концом второго провода быстро касаются свободной плюсовой клеммы (с частотой 2-3 касания в секунду). При этом необходимо не допускать приваривания проводов в месте соединения;
  • вольтметром производится проверка напряжения на восстанавливаемом источнике, при его отсутствии делается еще один восстановительный цикл;;
  • при появлении электродвижущей силы на АКБ, она ставиться на зарядку;

Кроме того, можно попытаться разрушить дендриты в АКБ путем их заморозки на 2-3 часа с последующим их резким отстукиванием. При замораживании дендриты становятся хрупкими и разрушаются от ударного воздействия, что теоретически может помочь избавиться от них.

Ni-Cd АКБ

Существуют и более экстремальные способы восстановления, связанные с добавлением дистиллированной воды в старые элементы путем высверливания их корпуса. Но полноценное обеспечение герметичности таких элементов в последующем очень проблематично. Поэтому не стоит экономить и подвергать здоровье риску отравления соединениями кадмия из-за выигрыша нескольких циклов работы.

Хранение и утилизация

Хранить никель кадмиевые батареи лучше в разряженном состоянии при низкой температуре в сухом месте. Чем меньше температура хранения таких АКБ, тем меньше у них саморазряд. Качественные модели могут храниться до 5 лет без существенного ущерба техническим характеристикам. Для ввода их в эксплуатацию достаточно провести их зарядку.

Вредные вещества, содержащиеся в одной батарее АА, способны загрязнить около 20 квадратных метров территории. Для безопасной утилизации Ni Cd аккумуляторов, их нужно сдавать в пункты переработки, откуда их переправляют на заводы, где их должны разрушать в специальных герметизированных печах, оборудованных фильтрами, улавливающими токсичные вещества.

Как заряжать Ni-Cd аккумуляторы, зарядные устройства, параметры

Сегодня Ni─Cd аккумуляторы используются в большинстве портативных инструментов и различных электронных устройствах (фотоаппараты, плееры и т. п.). Правда, в последнее время наблюдается тенденция замещения их литий─ионными аккумуляторами. Для того чтобы аккумулятор вашей аппаратуры служил долго, никель─кадмиевые батареи нужно правильно эксплуатировать, вовремя и своевременно заряжать и время от времени проводить циклы разряда-заряда. Тогда Ni─Cd аккумулятор будет служить вам долго. Сегодня мы поговорим о том, как заряжать никель─кадмиевые аккумуляторы по всем правилам.

Как заряжать Ni-Cd аккумуляторы

Особенности Ni-Cd эксплуатации аккумуляторов

Для того чтобы никель-кадмиевые аккумуляторы работали продолжительное время, нужно их полностью разряжать.

Ni─Cd аккумуляторные батареи имеют ярко выраженный эффект памяти. Если разрядка в процессе эксплуатации будет неполной, то эффективная площадь электродов аккумулятора будет постоянно снижаться.

Никель─кадмиевые батареи запоминают нижнюю отметку разряда. В результате при разряде до этой отметки они перестают работать, хотя возможность для этого есть. Это явление получило название «эффект памяти».

Поэтому, перед тем как зарядить никель кадмиевый аккумулятор нужно полностью разрядить элементы батареи до напряжения 0,9─1 вольт. Это позволить как можно дольше сохранить параметры батареи и увеличить срок службы Ni─Cd аккумуляторных батарей. Стоит отметить, что слишком сильный разряд, ниже порогового значения также не рекомендуется.

Никель-кадмиевым батарейкам нужна периодическая тренировка

Нужно также сказать, что новые никель─кадмиевые батарейки необходимо предварительно потренировать. Эта тренировка подразумевает активацию работы аккумулятора. При этом делается 3─5 циклов разряд-заряд. Такой разряд и заряд Ni─Cd аккумуляторов «разгоняет» их и они начинают работать на заявленных параметрах. После выполнения тренировки никель─кадмиевые батарейки хорошо держат нагрузки и имеют менее выраженный «эффект памяти». Иногда можно встретить рекомендации о том, что Ni─Cd батареи низкого качества требуют тренировки до 70─80 циклов разряд-заряд. Здесь стоит придерживаться рекомендаций производителя и зависит это в основном от технологии изготовления батареек.

Процесс «тренировки» или циклирования также нужно выполнять после длительного (более 6 месяцев) хранения Ni─Cd аккумуляторов. Но сильно усердствовать также не стоит, поскольку излишнее циклирование снижает ресурс аккумулятора. Стоит отметить ещё один момент. Если вы не собираетесь использовать никель─кадмиевые батарейки, то не нужно их заряжать. Этот тип батарей может вполне нормально храниться в разряженном состоянии. В заряженном состоянии никель─кадмиевый аккумулятор постепенно теряет первоначальные характеристики.

Теперь несколько слов о том, какие есть зарядные устройства для Ni─Cd аккумуляторов.
Вернуться к содержанию

Разновидности зарядных устройств для никель─кадмиевых аккумуляторов

Сегодня на рынке можно выделить две основные группы устройств, предназначенных для заряда никель кадмиевых аккумуляторов:

  • Автоматические ЗУ;
  • Реверсивные импульсные ЗУ.

Автоматические зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторных батарей. Это простые и доступные по цене устройства. Они менее сложные и выпускаются в конструкции, которая позволяет заряжать по два или 4 батарейки одновременно. Чтобы запустить заряд никель кадмиевых аккумуляторов, вставьте в батарейки в зарядное устройство. Переключателем ЗУ нужно установить количество заряжаемых батареек и подключить устройство к сети.

Как правило, автоматическое зарядное устройство для никель─кадмиевых аккумуляторов имеет следующую цветовую индикацию. Красный цвет индикатора показывает, что идёт процесс заряда батареек. Чтобы сделать разряд аккумуляторов, на устройстве имеется переключатель «разряд». В процессе разряда индикатор будет иметь жёлтый цвет. После того, как пройдёт разряд, зарядное устройство для Ni─Cd аккумуляторов само запустит зарядку. Зелёный цвет индикатора говорит о том, что цикл разряд-заряд закончен.

Пример зарядного устройства для Ni-Cd аккумуляторов

Пример зарядного устройства для Ni-Cd аккумуляторов

Дополнительно можете прочитать отдельную статью о про восстановление Ni─Cd аккумулятора для шуруповерта.

В данном случае речь идёт о заряде никель─кадмиевых батареек по отдельности. Если это аккумуляторы для шуруповёрта или другого электроинструмента, то с ними в комплекте идёт штатное зарядное устройство, которое позволяет заряжать всю батарею сразу от бытовой электросети.

Реверсивное импульсное ЗУ. Эти устройства более сложные и стоят дороже, чем модели первого типа. Обычно производители позиционируют их как профессиональные. Такое зарядное устройство для Ni─Cd аккумуляторов циклически проводит разряд-заряд с разным временным интервалом.

Устанавливается аккумулятор, выставляется режим и запускается работа. Индикатор даст сигнал об окончании зарядки. С помощью таких ЗУ можно не только выполнять заряд никель─кадмиевых аккумуляторов, но и поддерживать их в рабочем состоянии. В качестве примера можно привести широко распространённое универсальное зарядное устройство iMAX B6.

Никель─кадмиевые АКБ менее требовательны к характеристикам зарядного устройства, чем Ni-MH аккумуляторы. Но экономить на нём нельзя, поскольку дешевые устройства сокращают срок эксплуатации батарей. Теперь, давайте, разберёмся, как зарядить никель кадмиевый аккумулятор.
Вернуться к содержанию

Процесс разряда и заряда Ni─Cd аккумуляторов

Процесс разряда никель─кадмиевых батарей

Для этого типа батарей (как впрочем, и для других) разрядные характеристики зависят от особенностей аккумуляторов, которые определяют его внутреннее сопротивление. Среди таких особенностей можно отметить структуру и толщину электродов. На разрядные характеристики влияют:

  • толщина сепаратора и его структура;
  • плотность сборки;
  • объём электролита;
  • некоторые характеристики конструкции.

При работе в условиях продолжительного разряда используются дисковые батарейки с прессованными электродами большой толщины. Для них разрядная кривая показывает постоянное медленное снижение напряжения до величины 1,1 вольта. Разрядная ёмкость в случае дальнейшего разряда до 1 вольта равна от 5 до 10 процентов от номинального значения. Особенностью этого типа батарей является существенно падение разрядной ёмкости и напряжения при увеличении тока до 0,2*С. Объяснение этому достаточно простое ─ невозможность разряда активной массы равномерно по всей электрода.

Дисковые Ni-Cd аккумуляторы

Дисковые Ni-Cd аккумуляторы

Если уменьшить толщину электродов и увеличить их количество до четырёх, то ток разряда для дискового аккумулятора может быть увеличен до величины 0,6*С.

Аккумуляторные батареи с электродами из металлокерамики имеют малое внутреннее сопротивление и высокие энергетические характеристики. На их разрядных характеристиках заметно меньшее падение напряжения. У этого типа аккумуляторов величина напряжения держится выше 1,2 вольта до отдачи 0,9 от номинальной ёмкости. При дальнейшем разряде и падении напряжения с 1,1 до 1 вольта отдаётся около 3 процентов номинальной ёмкости. Допускается разряжать этот тип аккумуляторов разрядными токами величиной до 3─5*С.

Ni─Cd аккумуляторы цилиндрической формы можно разряжать более высокими токами. В них используются рулонные электроды, что позволяет разряжать их максимальным током 7─10*С.

Цилиндрические Ni─Cd аккумуляторы

Цилиндрические Ni─Cd аккумуляторы

На изображениях ниже можно видеть влияние тока разряда и температуры на значение разрядной ёмкости.

Разрядная характеристика никель─кадмиевого аккумулятора в зависимости от тока разряда

Разрядная характеристика никель─кадмиевого аккумулятора в зависимости от тока разряда

Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора в зависимости от температуры ОС

Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора в зависимости от температуры ОС

Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора в зависимости от тока разряда при различных температурах

Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора в зависимости от тока разряда при различных температурах

Наибольшее значение ёмкости достигается при температуре 20 градусов Цельсия. Ёмкость практически не снижается, если увеличивать температуру. А вот при температуре ОС ниже ноля значение разрядной ёмкости падает пропорционально увеличению разрядного тока. Уменьшение ёмкости при низких температурах объясняется уменьшением разрядного напряжения щелочной аккумуляторной батареи из-за увеличения сопротивления.

Увеличение сопротивления объясняется ограниченным объёмом электролита в герметичной батарейке. Состав и концентрация электролита сильно отражаются на характеристиках. От них напрямую зависит температура образования твёрдой фазы. Это могут кристаллогидраты, лёд, соли и т. п. При замёрзшем электролите разряд вообще отсутствует. Работоспособность Ni─Cd в большинстве случае ограничена температурой минус 20 градусов Цельсия. В некоторых случаях при корректировке состава электролита и его концентрации производители выпускают модели Ni─Cd батарей работоспособных при минус 40.

Если у вас электроинструмент или электронный гаджет работает на металлогидридных батарейках, вам будет интересно прочитать о том, как восстановить Ni─MH аккумуляторы.
Вернуться к содержанию

Процесс заряда никель─кадмиевых батарей

В процессе зарядки никель─кадмиевых аккумуляторов важным моментом является ограничение излишнего заряда. Это важный момент, поскольку при заряде никель─кадмиевых аккумуляторов внутри них растёт давление. В процессе зарядки выделяется кислород и постепенно снижается коэффициент использования тока. На графике ниже можно видеть зависимость разрядной ёмкости от скорости заряда. Данные приводятся для цилиндрических батарей.

Эффективность заряда никель-кадмиевого аккумулятора при различной скорости зарядки

Эффективность заряда никель-кадмиевого аккумулятора при различной скорости зарядки

Чтобы аккумулятор полностью зарядился, ему требуется сообщить до 160 процентов от номинальной ёмкости. Зарядка никель кадмиевых аккумуляторов должна вестись в интервале температур 0─40 С. Рекомендуемый интервал 10─30 С. При понижении температуры на отрицательном электроде снижается поглощение кислорода и растёт давление. В результате при сильном перезаряде из-за увеличения давления может открыться аварийный клапан. При увеличении температуры потенциал растёт и на положительном электроде очень рано выделяется кислород, что сокращает процесс зарядки в штатном режиме.

Если температура поддерживается стабильной, то на процесс заряда сильно влияет ток. Его увеличение вызывает рост скорости выделения кислорода. А скорость его поглощения при этом не меняется, поскольку зависит от особенностей конструкции аккумуляторной батареи. Влияние на газопоглощение оказывает компоновка, структура, толщина электродов, материал сепаратора, объем электролита.

В частности, чем плотность компоновки электродов больше и их толщина меньше, тем зарядка идёт с большей скоростью. Поэтому цилиндрические батареи заряжаются с большой скоростью. На кривых заряда можно заметить, что у таких моделей Ni─Cd аккумуляторов при токе 0,1─1С эффективность зарядки почти не меняется. Снижение тока заряда вызывает существенное уменьшение ёмкости, которую батарея отдаст при разряде.

Стандартный режим зарядки считается следующий. Никель─кадмиевый аккумулятор с напряжением 1 вольт заряжается примерно 14─16 часов током 0,1С. Детали процесса зарядки оговариваются производителями аккумуляторов. Они могут отличаться из-за особенностей конструкции или увеличенной закладки активной массы (это делается для наращивания ёмкости). Для Ni-Cd аккумуляторов может использоваться зарядка постоянным током в течение всего времени. А может использоваться схема ступенчатого или плавного снижения тока зарядки во время процесса. Это позволяет проводить длительную зарядку без риска повредить аккумулятор. При таких режимах ток зарядки на первой стадии может значительно превышать значение 0,1*С.

Часто есть необходимость в увеличении скорости зарядки. Производители решают эту проблему выпуском батарей, которые способны эффективно заряжаться большими токами. При этом используются различные системы контроля, охраняющие никель─кадмиевый аккумулятор от сильного перезаряда. Эти системы контроля могут содержать, как сами аккумуляторы, так и зарядное устройство для никель─кадмиевых аккумуляторов.

Для цилиндрических Ni-Cd аккумуляторов рекомендуется выполнять зарядку постоянным током величиной 0,2 С в течение 6─7 часов. Также используется режим током 0,3 С в течение 3─4 часов. В последнем случае контроль по времени заряда обязателен. Если ведётся ускоренный заряд, то перезаряд должен составлять до 120─140 процентов от ёмкости и не более. В этом случае Ni─Cd аккумулятор набирает разрядную ёмкость не меньше номинальной. Для работы в ускоренных режимах производители даже предлагают аккумуляторы, которые могут заряжаться за один час. В таком режиме используются различные средства контроля за температурой и напряжением, чтобы никель─кадмиевые батарейки не деградировали в результате резкого роста давления.

После того, как заряд прекращается давление внутри аккумуляторной батареи ещё продолжает расти, поскольку окисление гидроксильных ионов на оксидно─никелевых электродах продолжается. Постепенно скорость выделения кислорода на положительном электроде сравнивается с поглощением на отрицательном (кадмиевом) электроде. Поэтому давление в батарее постепенно понижается. Если был существенный перезаряд, то давление будет снижаться медленнее. Рекомендуем также прочитать о том, как заряжать Ni─MH аккумуляторы.
Вернуться к содержанию

Режим заряда Ni─Cd аккумулятора

Давайте, суммируем, что нужно знать о режиме зарядки Ni─Cd аккумуляторов. Речь, естественно, о тех случаях, когда у вас есть возможность выставить параметры. Как вы уже поняли, при заряде никель─кадмиевого аккумулятора его напряжение растёт до определённого значения, а затем стабилизируется. Когда батарея полностью заряжается, то напряжение понижается. По этому падению зарядные устройства чаще всего отслеживают окончание заряда. Это падение напряжения ещё называется Delta Peak. Чем точнее отслеживается эта дельта, тем батарейка заряжается более качественно и не будет перезаряда.

Итак, рекомендуется следующий режим. Ток заряда до 2С (номинальная ёмкость батарейки). Если доступен, то выбирается вид импульса (Re-Flex, Flex, Normal). Delta Peak должна составлять 7─10 мВ на один элемент батареи. Ток подкачки (ещё называемый trickle) составляет 50─100 мА-ч.

Следует помнить, что нельзя допускать перегрев аккумулятора выше 50 градусов Цельсия. Для того, чтобы продлить срок службы Ni─Cd аккумулятора, то выставляйте Delta Peak по минимуму. Недозарядка составит примерно 50 мА-ч. Стоит отметить и ещё ряд деталей процесса зарядки. Советуем также прочитать материал о восстановлении и ремонте Ni─Cd аккумуляторов.

Для полноценного использования мощности аккумулятора его следует заряжать большим током зарядки. Если важно использовать его мощность по максимуму, то нужно заряжать в нормальном режиме малым током. Величина тока около 0,1С. При этом время заряда составит 14─16 часов. С помощью ступенчатой подачи тока можно зарядить Ni─Cd аккумуляторную батарею в ускоренном режиме. Для этого 10 процентов ёмкости батареи набирается током 1С, затем до 80 процентов током 1,5С, а остаток добивается током 0,5С.